3. 机器视觉系统基础与选型

机器视觉系统并不是“买一台相机接上PLC”这么简单。它是一条从光学成像到数字判断、再到控制动作的完整信号链：光源决定被检特征能否被稳定照亮，镜头决定成像视野与分辨率，相机决定图像质量与采集节拍，视觉控制器或智能相机完成图像处理与结果判定，最后通过接口把“OK/NG、坐标、角度、条码”等结果交给PLC，由PLC驱动执行机构。选型的本质，是让这条链上的每个环节都满足检测精度、生产节拍和现场环境三大约束。

一、相机：分辨率、帧率与传感器是选型起点

相机最关键的两个参数是分辨率和帧率。分辨率决定最小可检测特征，常用经验是：被测特征在图像中至少占3～5个像素，才能稳定判定。例如视野宽度为100 mm、要求检测0.1 mm的缺陷，则横向至少需要 100/0.1×3 = 3000 像素，应选择500万像素（约2448×2048）或更高分辨率的相机。帧率决定节拍，若产线每分钟通过120个工件，则单件节拍为0.5 s，相机帧率、曝光时间、处理时间之和必须小于0.5 s，通常需留30%余量。

传感器类型同样重要：CCD与CMOS中，现代工业相机以CMOS为主，具备高帧率、低功耗优势；全局快门适合运动工件，避免果冻效应，卷帘快门仅适合静态拍摄。此外还需关注黑白/彩色（尺寸、缺陷检测优先黑白，颜色分选才用彩色）、靶面尺寸（需与镜头匹配）和接口类型（GigE、USB3.0、Camera Link）。

二、镜头：焦距、视野与工作距离的三角关系

镜头选型围绕三个量：视野FOV、工作距离WD、焦距f。其近似关系为：f = WD × 传感器尺寸 / FOV。例如传感器宽度为1/1.8″（约7.2 mm），要求视野120 mm、工作距离400 mm，则 f = 400×7.2/120 = 24 mm，可选25 mm定焦镜头。若空间受限，则需改用短焦或远心镜头。

对精密测量，应优先选用远心镜头，它能消除透视误差，使不同深度的物体放大倍率一致；对普通定位，则可用定焦工业镜头。同时要关注景深：光圈越小景深越大，但进光量减少，需与光源亮度平衡。镜头接口（C/CS）、靶面覆盖范围和畸变率也必须在选型时核对。

三、光源：让特征“显形”的关键

光源的作用不是“照亮”，而是制造对比度。常见类型包括：环形光用于一般表面照明；条形光用于边缘增强；背光用于轮廓和尺寸测量，能形成高对比剪影；同轴光用于高反光金属表面；穹顶光用于曲面或反光工件的均匀照明。颜色选择也有讲究：红光对蓝色或黑色特征对比强，蓝光对黄色或红色特征对比强。

光源控制器需支持频闪与相机曝光同步，避免运动模糊；亮度应可调，并在现场固定后锁定，防止温漂导致图像变化。

四、视觉控制器与智能相机：算力与集成的取舍

视觉控制器是独立处理单元，通常搭配PC式架构，算力强、可运行复杂算法（如深度学习、多相机同步），适合高精度、多工位场景。智能相机则把相机、处理器、I/O集成于一体，体积小、部署快、成本低，适合单工位、算法固定的场合。选型时需评估：算法复杂度、相机数量、是否需要二次开发、现场空间与预算。

五、与PLC协同的接口方式

视觉系统与PLC的协同，核心是结果数据和触发信号的交换。常见接口有四类：

• 数字I/O：最直接，视觉输出OK/NG、触发输入、结果就绪等开关量，PLC用普通DI/DO模块即可读取，适合简单判定，但无法传坐标和条码。
• PROFINET/PROFIBUS：西门子PLC首选，视觉设备作为IO设备接入，可交换多字节数据，如X/Y坐标、角度、条码字符串，实时性好，组态简单。
• TCP/IP以太网：通过Socket或Modbus TCP交换字符串或结构体，灵活但需处理握手与超时，适合数据量较大的场景。
• 串口RS-232/485：老设备常见，需编写收发程序，抗干扰弱，逐步被以太网替代。

在TIA Portal中，若视觉设备支持PROFINET，可直接在硬件目录中安装GSD文件，将其组态为IO设备，通过输入/输出地址映射结果数据；若使用TCP，则调用TCON、TSEND、TRCV等指令建立连接并收发。触发方式通常有两种：PLC输出一个触发脉冲给视觉，视觉采集完成后回送结果就绪信号，PLC再读取结果并执行分拣。必须注意握手时序：触发后需等待视觉“忙”信号结束，再读结果，避免读到上一帧数据。

六、选型检查表（示例）

以下检查表可作为选型时的核对清单，字段可根据项目增减：

综上，机器视觉选型应遵循“先光学、后相机、再控制器、最后接口”的顺序：先确认特征能否被稳定照亮和成像，再计算分辨率与节拍，然后选择算力匹配的控制器，最后根据数据量和实时性确定与PLC的接口方式。只有每个环节都满足约束，视觉系统才能在产线上稳定运行，并与PLC形成可靠的协同闭环。